浅谈数字图像处理技术及应用_李立芳

数字图像处理主要研究的内容有以下 几个方面：
1. 1 图像变换由于图像阵列很大，如 直接在空间域中进行处理，涉及计算量很 大。因此，往往采用各种图像变换的方法， 如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变 换等间接处理技术，将空间域的处理转换 为变换域处理，不仅可减少计算量，而且 可获得更有效的处理（如傅立叶变换可在 频 域 中 进 行 数 字 滤 波 处 理 ）。 目 前 新 兴 研 究的小波变换在时域和频域中都具有良好 的局部化特性，它在图像处理中也有着广 泛而有效的应用。
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人，而现在改用配备有高级计算机的图像 处理系统来判读分析，既节省人力，又加 快了速度，还可以从照片中提取人工所不 能发现的大量有用情报。从 6 0 年代末以 来，美国及一些国际组织发射了资源遥感 卫星（如 LANDSAT 系列）和天空实验室 （如 SKYLAB），由于成像条件受飞行器位 置、姿态、环境条件等影响，图像质量总 不是很高。因此，以如此昂贵的代价进行 简单直观的判读来获取图像是不合算的， 而必须采用数字图像处理技术。如 LANDSAT 系列陆地卫星，采用多波段扫 描器（MSS），在 900km 高空对地球每一个 地区以 18 天为一周期进行扫描成像，其图 像分辨率大致相当于地面上十几米或 100 米左右（如 1983 年发射的 LANDSAT-4， 分辨率为 3 0 m ）。这些图像在空中先处理 （数字化，编码）成数字信号存入磁带中， 在卫星经过地面站上空时，再高速传送下 来，然后由处理中心分析判读。这些图像 无论是在成像、存储、传输过程中，还是 在判读分析中，都必须采用很多数字图像 处理方法。现在世界各国都在利用陆地卫 星所获取的图像进行资源调查（如森林调 查、海洋泥沙和渔业调查、水资源调查 等），灾害检测（如病虫害检测、水火检测、 环 境 污 染 检 测 等 ）， 资 源 勘 察 （ 如 石 油 勘 查、矿产量探测、大型工程地理位置勘探 分析等），农业规划（如土壤营养、水分和 农 作 物 生 长 、 产 量 的 估 算 等 ）， 城 市 规 划 （如地质结构、水源及环境分析等）。我国 也陆续开展了以上诸方面的一些实际应 用，并获得了良好的效果。在气象预报和 对太空其它星球研究方面，数字图像处理 技术也发挥了相当大的作用。
1.6 图像分类（识别） 图像分类（识 别）属于模式识别的范畴，其主要内容是 图像经过某些预处理（增强、复原、压缩） 后，进行图像分割和特征提取，从而进行 判决分类。图像分类常采用经典的模式识 别方法，有统计模式分类和句法（结构）模 式分类，近年来新发展起来的模糊模式识 别和人工神经网络模式分类在图像识别中 也越来越受到重视。 ２ ．数字图像处理的基本特点
2.5 数字图像处理后的图像一般是给
人观察和评价的，因此受人的因素影响较 大。由于人的视觉系统很复杂，受环境条 件、视觉性能、人的情绪爱好以及知识状 况影响很大，作为图像质量的评价还有待 进一步深入的研究。另一方面，计算机视 觉是模仿人的视觉，人的感知机理必然影 响着计算机视觉的研究。例如，什么是感 知的初始基元，基元是如何组成的，局部 与全局感知的关系，优先敏感的结构、属 性和时间特征等，这些都是心理学和神经 心理学正在着力研究的课题。 ３ ．数字图像处理技术的优点
4.2 生物医学工程方面的应用 数字图像处理在生物医学工程方面的 应用十分广泛，而且很有成效。除了上面 介绍的 CT 技术之外，还有一类是对医用 显微图像的处理分析，如红细胞、白细胞 分类，染色体分析，癌细胞识别等。此外， 在 X 光肺部图像增晰、超声波图像处理、心 电图分析、立体定向放射治疗等医学诊断 方面都广泛地应用图像处理技术。 4.3 通信工程方面的应用 当前通信的主要发展方向是声音、文 字、图像和数据结合的多媒体通信。具体 地讲是将电话、电视和计算机以三网合一 的方式在数字通信网上传输。其中以图像 通信最为复杂和困难，因图像的数据量十 分巨大，如传送彩色电视信号的速率达 100Mbit/s 以上。要将这样高速率的数据实 时传送出去，必须采用编码技术来压缩信 息的比特量。在一定意义上讲，编码压缩 是这些技术成败的关键。除了已应用较广 泛的熵编码、DPCM 编码、变换编码外，目 前国内外正在大力开发研究新的编码方 法，如分行编码、自适应网络编码、小波 变换图像压缩编码等。 4.4 工业和工程方面的应用 在工业和工程领域中图像处理技术有 着广泛的应用，如自动装配线中检测零件 的质量、并对零件进行分类，印刷电路板 疵病检查，弹性力学照片的应力分析，流 体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件 的自动分拣，在一些有毒、放射性环境内 识别工件及物体的形状和排列状态，先进 的设计和制造技术中采用工业视觉等等。 其中值得一提的是研制具备视觉、听觉和 触觉功能的智能机器人，将会给工农业生 产带来新的激励，目前已在工业生产中的
2. 1 目前，数字图像处理的信息大多 是二维信息，处理信息量很大。如一幅 256 × 256 低分辨率黑白图像，要求约 64kbit 的数据量；对高分辨率彩色 512 × 512 图 像，则要求 768kbit 数据量；如果要处理 30 帧 / 秒的电视图像序列，则每秒要求 500kbit～22.5Mbit 数据量。因此对计算机 的计算速度、存储容量等要求较高。
1.2 图像编码压缩 图像编码压缩技 术可减少描述图像的数据量（即比特数）， 以便节省图像传输、处理时间和减少所占 用的存储器容量。压缩可以在不失真的前 提下获得，也可以在允许的失真条件下进 行。编码是压缩技术中最重要的方法，它 在图像处理技术中是发展最早且比较成熟 的技术。
1.3 图像增强和复原 图像增强和复 原的目的是为了提高图像的质量，如去除 噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不 考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴 趣的部分。如强化图像高频分量，可使图 像中物体轮廓清晰，细节明显；如强化低 频分量可减少图像中噪声影响。图像复原 要求对图像降质的原因有一定的了解，一 般讲应根据降质过程建立“降质模型”，再 采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图
3.1 再现性好 数字图像处理与模拟 图像处理的根本不同在于，它不会因图像 的存储、传输或复制等一系列变换操作而 导致图像质量的退化。只要图像在数字化 时准确地表现了原稿，则数字图像处理过 程始终能保持图像的再现。
3.2 处理精度高 按目前的技术，几 乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的 二维数组，这主要取决于图像数字化设备 的能力。现代扫描仪可以把每个像素的灰 度等级量化为 16 位甚至更高，这意味着图 像的数字化精度可以达到满足任一应用需 求。对计算机而言，不论数组大小，也不 论每个像素的位数多少，其处理程序几乎 是一样的。换言之，从原理上讲不论图像 的精度有多高，处理总是能实现的，只要 在处理时改变程序中的数组参数就可以 了。试想一下图像的模拟处理，为了要把 处理精度提高一个数量级，就要大幅度地 改进处理装置，这在经济上是极不合算 的。
像。 1.4 图像分割 图像分割是数字图像
处理中的关键技术之一。图像分割是将图 像中有意义的特征部分提取出来，其有意 义的特征有图像中的边缘、区域等，这是 进一步进行图像识别、分析和理解的基 础。虽然目前已研究出不少边缘提取、区 域分割的方法，但还没有一种普遍适用于 各种图像的有效方法。因此，对图像分割 的研究还在不断深入之中，是目前图像处 理中研究的热点之一。
2.4 由于图像是三维景物的二维投影， 一幅图像本身不具备复现三维景物的全部 几何信息的能力，很显然三维景物背后部 分信息在二维图像画面上是反映不出来 的。因此，要分析和理解三维景物必须作 合适的假定或附加新的测量，例如双目图 像或多视点图像。在理解三维景物时需要 知识导引，这也是人工智能中正在致力解 决的知识工程问题。
1.5 图像描述 图像描述是图像识别 和理解的必要前提。作为最简单的二值图 像可采用其几何特性描述物体的特性，一 般图像的描述方法采用二维形状描述，它 有边界描述和区域描述两类方法。对于特 殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。 随着图像处理研究的深入发展，已经开始 进行三维物体描述的研究，提出了体积描 述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。
图像是人类获取和交换信息的主要来 源，因此，图像处理的应用领域必然涉及 人类生活和工作的方方面面。随着人类活 动范围的不断扩大，图像处理的应用领域 也将随之不断扩大。
4.1 航天和航空技术方面的应用 数字图像处理技术在航天和航空技术 方面的应用，除了上面介绍的 JPL 对月球、 火星照片的处理之外，另一方面的应用是 在飞机遥感和卫星遥感技术中。许多国家 每天派出很多侦察飞机对地球上有兴趣的 地区进行大量的空中摄影。对由此得来的 照片进行处理分析，以前需要雇用几千
3.4 灵活性高 图像处理大体上可分 为图像的像质改善、图像分析和图像重建 三大部分，每一部分均包含丰富的内容。 由于图像的光学处理从原理上讲只能进行 线性运算，这极大地限制了光学图像处理 能实现的目标。而数字图像处理不仅能完 成线性运算，而且能实现非线性处理，即 凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的 一切运算均可用数字图像处理实现。 ４ ．数字图像处理技术的应用
2 . 2 数字图像处理占用的频带较宽。 与语言信息相比，占用的频带要大几个数 量级。如电视图像的带宽约 5.6MHz，而 语音带宽仅为 4kHz 左右。所以在成像、传 输、存储、处理、显示等各个环节的实现 上，技术难度较大，成本亦高，这就对频 带压缩技术提出了更高的要求。
2.3 数字图像中各个像素是不独立的， 其相关性大。在图像画面上，经常有很多 像素有相同或接近的灰度。就电视画面而 言，同一行中相邻两个像素或相邻两行间 的像素，其相关系数可达 0.9 以上，而相 邻两帧之间的相关性比帧内相关性一般说 还要大些。因此，图像处理中信息压缩的 潜力很大。
信息科技
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
中国科技信息 ２０１２ 年第 ０３ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｆｅｂ．２０１２
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